國家級多源海量數字正射影像數據庫的設計與構建

楊　眉，劉建軍，張元杰，劉劍煒

(國家基礎地理信息中心，北京 100830)

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國家級多源海量數字正射影像數據庫的設計與構建

楊眉，劉建軍，張元杰，劉劍煒

(國家基礎地理信息中心，北京 100830)

Design and Establishment of National Multi-source and Mass Digital Orthophoto Map Database

YANG Mei,LIU Jianjun,ZHANG Yuanjie,LIU Jianwei

摘要：針對國家基礎地理信息數字正射影像數據庫的技術特點，提出了多源、海量數字正射影像數據庫的需求及功能，并基于國家基礎地理信息數據庫動態更新2010—2014年數字正射影像構建了以資源三號和天繪一號為主的國產衛星正射影像數據庫實例，實現了對國家級海量多源正射影像數據的高效存儲、集成管理、無縫瀏覽和及時更新等。

關鍵詞：數字正射影像；DOM；數據庫；影像建庫

數字正射影像(digital orthophoto map，DOM)具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快捷等優點，是國家空間基礎設施和數字中國的重要組成部分[1]，也是地理信息產業發展中不可或缺的數據源。在我國基礎地理信息數據持續動態更新中，數字正射影像既是國家基礎地理信息數據庫的重要組成部分，同時又可作為地形要素數據、數字高程模型數據、地形圖制圖數據等基礎地理數據更新的重要信息源[2]。在國民經濟建設與社會發展服務中，數字正射影像可為地表分類、國土監測、資源環境、城市調查、建設規劃、災害防治、公共服務等眾多領域提供直觀方便的影像應用服務[3-4]。

近年來，隨著計算機技術與空間科學技術日新月異的發展，遙感影像的數據源日益豐富，影像質量也越來越高。一方面，各種遙感平臺產生的高分辨率遙感影像數據正在“如同下雨一般向地面傳送”[5-6]，能夠獲得的遙感影像以指數級不斷增長，進一步凸顯了海量數據存儲、管理、分發、應用的一系列問題。另一方面，隨著社會的快速發展，我國基礎地理信息數據庫開始采用動態更新工作模式以適應各行各業對基礎地理信息的現勢性要求。目前，無論是地形要素數據、數字高程模型數據、地形圖制圖數據還是數字正射影像數據，都以比以往高出十幾甚至幾十倍的速率進行更新。在動態、實時、應需更新的大形勢下，針對數字正射影像分辨率高、更新速度快、數據量巨大、應用范圍廣等諸多特點，需要建立一個有機集成的國家級基礎地理信息正射影像數據庫，既可以滿足多分辨率、多數據源海量正射影像數據存儲、管理、分發與服務的急迫需要[2]，還能為大型測繪地理信息工程、公共服務、應急保障提供穩定可靠的影像數據集成平臺，同時可以為廣大用戶提供便捷的影像數據應用服務。

一、 建設需求

1. 建庫目標

建立國家級正射影像數據庫的總體目標是基于標準化、規范化的正射影像數據，采用統一的編碼和格式，對多數據源、多分辨率、多時相的海量正射影像數據進行集中式或分布式的組織與管理，實現由全貌到細節、由整體到局部、由低分辨率到高分辨率快速、無縫地進行影像漫游、瀏覽和應用，數據庫具有高效的空間數據查詢、調度、漫游及分發等功能，并且能夠與其他系統無縫集成，為海量影像數據的多元化應用提供一個統一高效的平臺。

2. 建庫需求

作為一個以正射影像數據為核心內容的國家級大型空間數據庫，其建設需求主要分以下3點：

1) 數據管理:實現對多數據源、多分辨率、多時相的正射影像數據及元數據的集中式或分布式管理。在平面方向，影像數據要組織成邏輯上無縫拼接的整體；在垂直方向，多類型、多時相的影像數據通過一致的空間坐標定位能夠相互疊加和套合。

2) 數據應用:實現海量影像的高效檢索，包括空間檢索和屬性檢索；實現由全貌到細節、由整體到局部、由低分辨率到高分辨率的快速瀏覽；實現與其他系統集成的綜合性應用服務。

3) 數據分發:通過局域網或廣域網實現遠程用戶對影像數據目錄的查詢檢索、產品訂購、下載分發等功能。

二、 功能設計

國家級正射影像數據庫的基本要求是“放得妥、看得見、找得著、拿得走”[2]，結合今后的應用實際，設計時主要考慮了9個方面的功能，如圖1所示。

圖1　國家級正射影像數據庫功能設計結構

1. 集成管理

實現對多數據源、多分辨率、多時相的海量正射影像的集中式或分布式管理。在影像數據庫中，影像以記錄(records)形式被保存，一條記錄(record)對應一幅影像。記錄表包括影像數據的空間索引、中心點坐標、顯示分辨率控制范圍、像元大小范圍、影像數據類型標識、顯示順序控制因子、分組標簽等屬性項。通過記錄表(也即元數據表)中的空間索引可以直接訪問單幅影像的預覽圖像、數據來源、影像屬性、地理范圍、空間參考、像素統計值、金字塔與色彩表狀態、實時處理函數鏈等信息。

2. 無縫瀏覽

影像數據庫的無縫瀏覽要求實現對全國范圍影像數據的可視化集成顯示，在全國尺度下對所有或部分正射影像進行無縫漫游與瀏覽，包括手動漫游、按預設路徑漫游、放大、縮小、跨層瀏覽、全圖顯示、1∶1顯示等。由于國家級正射影像數據庫的影像來源各異，采用的空間參考不能保證完全一致，有的采用經緯度坐標，有的采用高斯-克呂格6°分帶投影平面坐標，諸如此類，因此需要設計一個面向不同空間參考影像數據的數據庫接口。

3. 空間查詢

在集成的國家多源海量正射影像數據庫中，能夠通過空間位置查詢到設定點、線、面涉及的正射影像，快速調出查詢結果并顯示其瀏覽效果和屬性信息。

4. 屬性查詢

在集成的國家多源海量正射影像數據庫中，能夠用結構化查詢語言根據數據源、時間、分辨率、空間位置等屬性進行影像條目查詢，能調出查詢結果并顯示其瀏覽效果和屬性信息。

5. 動態鑲嵌

對多數據源、多分辨率、多時相正射影像采用動態鑲嵌方法進行集成顯示，通過控制影像重疊區域的鑲嵌算法，實現預設的鑲嵌顯示結果，可有效節省用于海量影像鑲嵌的時間與空間成本。

6. 虛擬處理

對原始數據不作任何像素上的處理和變動，可以從原始數據動態創建多種影像產品虛擬結果，無需生成中間結果影像，確保原始正射影像數據在時間序列上的一致性和確定性。

7. 更新維護

對于高時間分辨率的影像，實現影像數據的即時更新十分必要[7]。應在第一時間將新接收的正射影像入庫，以便及時提供使用。主要功能包括數據導入、導出、刪除、更新。數據導入包括單幅、批量和后續追加導入。數據導出包括按庫、層、圖幅和坐標范圍等方式。數據庫維護包括數據刪除和更新操作，數據更新應支持庫體任意局部范圍內的影像塊更新[8]。

8. 在線分發

正射影像數據的分發服務與數據提供功能，主要是通過B/S結構從網絡接受數據檢索查詢要求，快速調出查詢結果，并通過網絡快速將查詢數據傳輸到用戶手中。

9. 安全機制

采用當前主流數據庫管理系統Oracle，可以為用戶賦予分級訪問和操作權限，對用戶實施權限驗證和分組管理策略，以有效保障數據庫的安全。

三、 庫體設計

1. 空間參考

為實現全國范圍內正射影像數據庫的集成管理與無縫瀏覽，影像庫庫體采用2000國家大地坐標系(經緯度)和1985國家高程基準。平面投影的正射影像在數據庫中動態投影為2000國家大地坐標系(經緯度)。

2. 數據組織

正射影像數據庫文件包括數字正射影像、影像金字塔、影像處理記錄AUX文件、影像數據集文件、動態鑲嵌快視圖等。其中數字正射影像、影像金字塔、影像處理記錄AUX文件等實體文件存儲在同一位置，按照“數據源→年→月”的目錄進行組織，最小組織單元為月。可以集中放在同一個磁盤陣列或不同的磁盤陣列上，也可以分布于不同的服務器上。

影像數據集和動態鑲嵌快視圖均存儲于SDE地理數據庫中。無論是影像實體文件、影像數據集還是動態鑲嵌快視圖都可以調整其物理存儲位置，以備未來可能的數據庫升級與拓展。

3. 數據庫結構設計

(1) 邏輯設計

圖2為正射影像數據庫系統邏輯結構圖，總體分為用戶層、服務層、管理層、數據層。

1) 數據層包括構成正射影像數據庫的系列文件：正射影像、快視圖數據、元數據、關系表等。

2) 管理層包括管理數據庫的系列功能：導入影像、增刪改查、更新維護等。

3) 服務層包括正射影像數據庫的系列服務：無縫瀏覽、查詢檢索、影像分發等。

4) 用戶層由局域網或廣域網中通過網絡與影像服務連接的多個用戶組成。

圖2　正射影像數據庫系統邏輯結構圖

(2) 數據庫表

主要設計了影像總表、影像類型表、尺寸分級表和日志表4個數據庫表，這4個數據庫表的結構及相互聯系如圖3所示。根據進一步的管理與應用需要，還可對表3進行屬性擴展。

四、 建庫實例

采用2011—2014年度國產衛星資源三號與天繪一號影像，整理建庫的正射影像總數據庫約20 TB，影像數量33 531個，覆蓋我國國土面積約96.21%。

實際建庫時，首先對入庫影像進行影像數據整理、計算機與人工結合的快速檢查、金字塔生成與影像統計、投影坐標系的統一，使之符合統一的規范和標準，以確保數據順利入庫。然后按數據源和年份分別建立影像數據集，對影像數據開展批量入庫后，依次更新數據表、創建空間索引、定義Nodata值、影像批量拉伸、定義和構建快視圖等。最后對影像庫各級尺度的顯示分辨率范圍參數進行優化，并測試數據庫的各項性能。

圖3　正射影像數據庫表

影像數據入庫采用多線程技術，網絡及接口帶寬為1000 Mb/s，并且采用文件存儲+數據庫索引的方式，可以在數天內完成國家級影像庫的全部入庫。

影像庫實現了基于金字塔和快視圖分層結構的瀏覽功能，金字塔是一種能對單個大柵格影像按2∶1比例逐級降低分辨率的拷貝存儲方法，快視圖是一種對整體動態鑲嵌影像按n∶1(n≥2)比例逐級降低分辨率的拷貝存儲方法。根據當前操作，放大、縮小、漫游等計算所需的當前視圖顯示范圍和影像分辨率，根據所需的影像分辨率與金字塔或快視圖的分辨率及可顯示尺度范圍進行匹配，并將匹配結果畫到屏幕上。通過這種方式，可提供全國視圖下從總體到局部的無縫瀏覽效果，并且提供連續漫游、跳躍式漫游、快速縮放、1∶1縮放等多種瀏覽方式。此外，還可基于元數據管理系統進行屬性查詢，基于空間分析模塊進行地理查詢。查詢結果可用于子集提取與分發服務。當影像數據發生變化(包括新增、刪除、替換)時，可在已有影像庫基礎上進行快速更新。

五、 結束語

目前，針對正射影像數據存儲、管理、瀏覽、更新中的問題，通過采用新柵格數據管理模型[9]和空間數據庫技術[10]，實現了國家級海量多源正射影像數據的分布式存儲、集成式管理、無縫漫游瀏覽和快速更新，有效滿足了國家級影像數據管理、瀏覽、查詢、服務等業務需求，有利于開展數字正射影像數據的高效應用與信息挖掘，有助于了解情況，避免地理與空間信息領域的重復建設。

后續將繼續深入開展影像庫管理與服務相關功能的優化工作，深入開展無縫瀏覽、查詢檢索、服務發布、更新維護等相關技術的研究，進一步提高海量、多源影像管理的效率與水平。

參考文獻：

[1]田茂義，盧秀山，王冬，等.基于Oracle的DOM影像庫的建立研究[J].測繪通報，2006(6)：13-16.

[2]廖安平，嚴榮華，湯海.國家基礎多源數字正射影像數據庫的設計與建立[J]. 地理信息世界,2006，4(4): 10-14.

[3]李京偉，廖安平，朱武.國家基礎影像數據庫建設構想與進展[J]. 地理信息世界, 2003, 1(2):30-34.

[4]王密，龔健雅，李德仁.大型無縫影像數據庫管理系統的設計與實現[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2003(3):294-299.

[5]楊眉，劉建軍，張元杰，等.基于ArcGIS鑲嵌數據集的正射影像數據庫構建方法初探[J]. 地理信息世界, 2014, 21(1): 33-36.

[6]董杰，黃炎，董平. 基于鑲嵌數據集的大規模遙感影像管理研究[J].紅外,2012(10):30-32.

[7]謝毅. 海量遙感影像數據存儲組織結構研究[D]. 開封：河南大學，2011:20-24.

[8]黃飛鵬. 海量遙感影像管理系統的設計與實現[D]. 上海：華東師范大學，2011:14-19.

[9]Esri. 柵格和影像[EB/OL].[2013-08-25].http:∥resources.arcgis.com/zh-cn/help/main/10.1/index.html.

[10]郭朝輝，齊清文，鄒秀萍，等. 基于ArcSDE的云南沿邊境地帶生態環境數據庫建設研究[J].測繪通報，2007(3):53-56.

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)04-0106-04

作者簡介：楊眉(1988—)，女，博士，高級工程師，研究方向為遙感與GIS技術應用、國家基礎地理信息數據庫的建設。E-mail：yangmei0805@163.com

收稿日期：2015-04-22

引文格式： 楊眉，劉建軍，張元杰，等. 國家級多源海量數字正射影像數據庫的設計與構建[J].測繪通報，2016(4)：106-109.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0134.